[論文レビュー] Superconductivity in hole-doped (Sr$_{1-x}$K$_x$)Fe$_2$As$_2$

G. F. Chen, Z. Li+7 more|ArXiv.org|Jun 6, 2008

Iron-based superconductors research被引用数 5

ひとこと要約

本研究では、固体反応法を用いて穴ドープ型 (Sr₁₋ₓKₓ)Fe₂As₂ を合成し、母体化合物でスピン密度波（SDW）転移が約210 Kで観測された。KドーピングによりこのSDW転移が抑制され、バルク的超伝導性が誘発され、Tc ≈ 38 K に達する。ホール型キャリアであることがホール測定により確認され、電子ドーピング型 LaO₀.₉F₀.₁FeAs よりもキャリア密度が約3倍高い。これは、鉄ヒ素系超伝導体系における強い穴ドーピング効果を示している。

ABSTRACT

A series of layered (Sr$_{1-x}$K$_x$)Fe$_2$As$_2$ compounds with nominal x=0 to 0.40 are synthesized by solid state reaction method. Similar to other parent compounds of iron-based pnictide superconductors, the pure SrFe$_2$As$_2$ shows a strong resistivity anomaly near 210 K, which was ascribed to the spin-density-wave instability. The anomaly temperature is much higher than those observed in LaOFeAs and BaFe$_2$As$_2$, the two prototype parent compounds with ZrCuSiAs- and ThCr$_2$Si$_2$-type structures. K-doping strongly suppresses this anomaly and induces superconductivity. Like in the case of K-doped BaFe$_2$As$_2$, sharp superconducting transitions at T$_c\sim$38 K was observed. We performed the Hall coefficient measurement, and confirmed that the dominant carriers are hole-type. The carrier density is enhanced by a factor of 3 in comparison to F-doped LaOFeAs superconductor.

研究の動機と目的

• 穴ドーピング型 (Sr₁₋ₓKₓ)Fe₂As₂、新しい鉄ヒ素系超伝導体系における電子相転移を調査すること。
• 母体化合物が、他の鉄ヒ素系超伝導体と同様にスピン密度波（SDW）不安定性を示すかどうかを特定すること。
• ホール係数測定を用いて、Kドーピングされた試料におけるキャリアの種別と密度を確認すること。
• BaFe₂As₂ および LaOFeAs 系と比較して、(Sr₁₋ₓKₓ)Fe₂As₂ の超伝導性および磁気的性質を検討すること。

提案手法

• SrAs、KAs、Fe₂As を前駆体として用い、x = 0 から 0.40 の範囲で (Sr₁₋ₓKₓ)Fe₂As₂ を固体反応法で合成する。
• アルゴン雰囲気下で封止した石英チューブ内で焼鈍することで、相純度および化学 stoichiometry を確保する。
• Cu Kα放射線を用いた粉末X線回折（XRD）で結晶構造および相純度を確認する。
• 四端子抵抗測定を用いて、超伝導転移およびSDW異常を調査する。
• 五端子ホール係数測定を常温領域で実施し、キャリア種別および密度を決定する。
• 10 Oeのモードを用いた交流磁化率測定により、バルク的超伝導性を確認する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 母体化合物である SrFe₂As₂ はスピン密度波（SDW）転移を示すか？その転移温度は？
• RQ2 Kドーピングは (Sr₁₋ₓKₓ)Fe₂As₂ においてSDW転移をどのように抑制し、超伝導性を誘発するか？
• RQ3 Kドーピングされた (Sr₁₋ₓKₓ)Fe₂As₂ における電荷キャリアの性質は何か？その密度は？
• RQ4 (Sr₁₋ₓKₓ)Fe₂As₂ におけるキャリア密度は、電子ドーピング型 LaO₀.₉F₀.₁FeAs と比較してどの程度か？
• RQ5 Kドーピングされた (Sr₁₋ₓKₓ)Fe₂As₂ における超伝導転移は、磁気測定によりバルク的であることが確認できるか？

主な発見

• 母体化合物である SrFe₂As₂ は約210 Kで明確な抵抗率異常を示し、これはスピン密度波（SDW）不安定性に起因するとされる。
• KドーピングによりSDW転移が抑制され、x = 0.2 および 0.4 の場合に Tc ≈ 38 K の超伝導性が誘発される。
• ホール係数測定により、Kドーピングされた超伝導体試料にホール型キャリアが存在することが確認され、30–200 K の全温度範囲で正のホール係数が観測された。
• 200 Kにおけるキャリア密度は 5.4 × 10²¹ cm⁻³ と推定され、電子ドーピング型 LaO₀.₉F₀.₁FeAs よりも3倍以上高い。
• 再焼鈍処理により Tc が38 Kから20 Kに低下したため、試料の不均一性が超伝導特性に影響していることが示された。
• 交流磁化率測定により、再焼鈍処理を施した Sr₀.₆K₀.₄Fe₂As₂ 試料においてバルク的超伝導性が確認された。